得益于SpringBoot的封装，我们可以只通过jar -jar一行命令便启动一个web项目。再也不用操心搭建tomcat等相关web容器。那么，你是否探究过SpringBoot是如何达到这一操作的呢？
只有了解了底层实现原理，才能更好的掌握该项技术带来的好处以及性能调优。本篇文章带大家聊一探究竟。本文部分内容参考于网络文章，部分内容参考《SpringBoot技术内幕：架构设计与实现原理》。
Jar包的打包插件及核心方法
Spring Boot项目的pom.xml文件中默认使用如下插件进行打包：
<build> <plugins> <plugin> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId> </plugin> </plugins></build>
执行maven clean package之后，会生成两个文件：
spring-learn-0.0.1-SNAPSHOT.jarspring-learn-0.0.1-SNAPSHOT.jar.original
spring-boot-maven-plugin项目存在于spring-boot-tools目录中。spring-boot-maven-plugin默认有5个goals：repackage、run、start、stop、build-info。在打包的时候默认使用的是repackage。
spring-boot-maven-plugin的repackage能够将mvn package生成的软件包，再次打包为可执行的软件包，并将mvn package生成的软件包重命名为*.original。
spring-boot-maven-plugin的repackage在代码层面调用了RepackageMojo的execute方法，而在该方法中又调用了repackage方法。repackage方法代码及操作解析如下：
private void repackage() throws MojoExecutionException { // maven生成的jar，最终的命名将加上.original后缀 Artifact source = getSourceArtifact(); // 最终为可执行jar，即fat jar File target = getTargetFile(); // 获取重新打包器，将maven生成的jar重新打包成可执行jar Repackager repackager = getRepackager(source.getFile()); // 查找并过滤项目运行时依赖的jar Set<Artifact> artifacts = filterDependencies(this.project.getArtifacts(), getFilters(getAdditionalFilters())); // 将artifacts转换成libraries Libraries libraries = new ArtifactsLibraries(artifacts, this.requiresUnpack, getLog()); try { // 获得Spring Boot启动脚本 LaunchScript launchScript = getLaunchScript(); // 执行重新打包，生成fat jar repackager.repackage(target, libraries, launchScript); }catch (IOException ex) { throw new MojoExecutionException(ex.getMessage(), ex); } // 将maven生成的jar更新成.original文件 updateArtifact(source, target, repackager.getBackupFile());}
执行以上命令之后，便生成了打包结果对应的两个文件。下面针对文件的内容和结构进行一探究竟。
jar包目录结构
首先来看看jar的目录结构，都包含哪些目录和文件，解压jar包可以看到如下结构：
spring-boot-learn-0.0.1-SNAPSHOT├── META-INF│ └── MANIFEST.MF├── BOOT-INF│ ├── classes│ │ └── 应用程序│ └── lib│ └── 第三方依赖jar└── org └── springframework └── boot └── loader └── springboot启动程序
META-INF内容
在上述目录结构中，META-INF记录了相关jar包的基础信息，包括入口程序等。
Manifest-Version: 1.0 Implementation-Title: spring-learn Implementation-Version: 0.0.1-SNAPSHOT Start-Class: com.secbro2.learn.SpringLearnApplication Spring-Boot-Classes: BOOT-INF/classes/ Spring-Boot-Lib: BOOT-INF/lib/ Build-Jdk-Spec: 1.8 Spring-Boot-Version: 2.1.5.RELEASE Created-By: Maven Archiver 3.4.0 Main-Class: org.springframework.boot.loader.JarLauncher
可以看到有Main-Class是org.springframework.boot.loader.JarLauncher ，这个是jar启动的Main函数。
还有一个Start-Class是com.secbro2.learn.SpringLearnApplication，这个是我们应用自己的Main函数。
Archive的概念
在继续了解底层概念和原理之前，我们先来了解一下Archive的概念：
- archive即归档文件，这个概念在linux下比较常见。
- 通常就是一个tar/zip格式的压缩包。
- jar是zip格式。
SpringBoot抽象了Archive的概念，一个Archive可以是jar（JarFileArchive），可以是一个文件目录（ExplodedArchive），可以抽象为统一访问资源的逻辑层。关于Spring Boot中Archive的源码如下：
public interface Archive extends Iterable<Archive.Entry> { // 获取该归档的url URL getUrl() throws MalformedURLException; // 获取jar!/META-INF/MANIFEST.MF或[ArchiveDir]/META-INF/MANIFEST.MF Manifest getManifest() throws IOException; // 获取jar!/BOOT-INF/lib/*.jar或[ArchiveDir]/BOOT-INF/lib/*.jar List<Archive> getNestedArchives(EntryFilter filter) throws IOException;}
SpringBoot定义了一个接口用于描述资源，也就是org.springframework.boot.loader.archive.Archive。该接口有两个实现，分别是org.springframework.boot.loader.archive.ExplodedArchive和org.springframework.boot.loader.archive.JarFileArchive。前者用于在文件夹目录下寻找资源，后者用于在jar包环境下寻找资源。而在SpringBoot打包的fatJar中，则是使用后者。
JarLauncher
从MANIFEST.MF可以看到Main函数是JarLauncher，下面来分析它的工作流程。JarLauncher类的继承结构是：
class JarLauncher extends ExecutableArchiveLauncherclass ExecutableArchiveLauncher extends Launcher
Launcher for JAR based archives. This launcher assumes that dependency jars are included inside a /BOOT-INF/lib directory and that application classes are included inside a /BOOT-INF/classes directory.
按照定义，JarLauncher可以加载内部/BOOT-INF/lib下的jar及/BOOT-INF/classes下的应用class，其实JarLauncher实现很简单：
public class JarLauncher extends ExecutableArchiveLauncher { public JarLauncher() {} public static void main(String[] args) throws Exception { new JarLauncher().launch(args); }}
其主入口新建了JarLauncher并调用父类Launcher中的launch方法启动程序。在创建JarLauncher时，父类ExecutableArchiveLauncher找到自己所在的jar，并创建archive。
JarLauncher继承于org.springframework.boot.loader.ExecutableArchiveLauncher。该类的无参构造方法最主要的功能就是构建了当前main方法所在的FatJar的JarFileArchive对象。下面来看launch方法。该方法主要是做了2个事情：
（1）以FatJar为file作为入参，构造JarFileArchive对象。获取其中所有的资源目标，取得其Url，将这些URL作为参数，构建了一个URLClassLoader。
（2）以第一步构建的ClassLoader加载MANIFEST.MF文件中Start-Class指向的业务类，并且执行静态方法main。进而启动整个程序。
public abstract class ExecutableArchiveLauncher extends Launcher { private final Archive archive; public ExecutableArchiveLauncher() { try { // 找到自己所在的jar，并创建Archive this.archive = createArchive(); } catch (Exception ex) { throw new IllegalStateException(ex); } }} public abstract class Launcher { protected final Archive createArchive() throws Exception { ProtectionDomain protectionDomain = getClass().getProtectionDomain(); CodeSource codeSource = protectionDomain.getCodeSource(); URI location = (codeSource == null ? null : codeSource.getLocation().toURI()); String path = (location == null ? null : location.getSchemeSpecificPart()); if (path == null) { throw new IllegalStateException("Unable to determine code source archive"); } File root = new File(path); if (!root.exists()) { throw new IllegalStateException( "Unable to determine code source archive from " + root); } return (root.isDirectory() ? new ExplodedArchive(root) : new JarFileArchive(root)); }}
在Launcher的launch方法中，通过以上archive的getNestedArchives方法找到/BOOT-INF/lib下所有jar及/BOOT-INF/classes目录所对应的archive，通过这些archives的url生成LaunchedURLClassLoader，并将其设置为线程上下文类加载器，启动应用。
至此，才执行我们应用程序主入口类的main方法，所有应用程序类文件均可通过/BOOT-INF/classes加载，所有依赖的第三方jar均可通过/BOOT-INF/lib加载。
URLStreamHandler
java中描述资源常使用URL。而URL有一个方法用于打开链接java.net.URL#openConnection()。由于URL用于表达各种各样的资源，打开资源的具体动作由java.net.URLStreamHandler这个类的子类来完成。根据不同的协议，会有不同的handler实现。而JDK内置了相当多的handler实现用于应对不同的协议。比如jar、file、http等等。URL内部有一个静态HashTable属性，用于保存已经被发现的协议和handler实例的映射。
获得URLStreamHandler有三种方法：
（1）实现URLStreamHandlerFactory接口，通过方法URL.setURLStreamHandlerFactory设置。该属性是一个静态属性，且只能被设置一次。
（2）直接提供URLStreamHandler的子类，作为URL的构造方法的入参之一。但是在JVM中有固定的规范要求：
子类的类名必须是Handler，同时最后一级的包名必须是协议的名称。比如自定义了Http的协议实现，则类名必然为xx.http.Handler；
JVM启动的时候，需要设置java.protocol.handler.pkgs系统属性，如果有多个实现类，那么中间用|隔开。因为JVM在尝试寻找Handler时，会从这个属性中获取包名前缀，最终使用包名前缀.协议名.Handler，使用Class.forName方法尝试初始化类，如果初始化成功，则会使用该类的实现作为协议实现。
SpringBoot自定义的classLoader能够识别FatJar中的资源，包括有：在指定目录下的项目编译class、在指令目录下的项目依赖jar。JDK默认用于加载应用的AppClassLoader只能从jar的根目录开始加载class文件，并且也不支持jar in jar这种格式。
为了实现这个目标，SpringBoot首先从支持jar in jar中内容读取做了定制，也就是支持多个!/分隔符的url路径。SpringBoot定制了以下两个方面：
（1）实现了一个java.net.URLStreamHandler的子类org.springframework.boot.loader.jar.Handler。该Handler支持识别多个!/分隔符，并且正确的打开URLConnection。打开的Connection是SpringBoot定制的org.springframework.boot.loader.jar.JarURLConnection实现。
（2）实现了一个java.net.JarURLConnection的子类org.springframework.boot.loader.jar.JarURLConnection。该链接支持多个!/分隔符，并且自己实现了在这种情况下获取InputStream的方法。而为了能够在org.springframework.boot.loader.jar.JarURLConnection正确获取输入流，SpringBoot自定义了一套读取ZipFile的工具类和方法。这部分和ZIP压缩算法规范紧密相连，就不拓展了。
WarLauncher
针对SpringBoot的项目，如果依旧想采用基于war包的形式进行部署，那么需要对打包形式进行修改，而构建war包也比较简单：
（1）修改packaging为war包。
<groupId>com.secbro2</groupId><artifactId>springboot-learn</artifactId><version>0.0.1-SNAPSHOT</version><packaging>war</packaging>
（2）排除掉默认的tomcat依赖。
<dependency> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId> <exclusions> <exclusion> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-starter-tomcat</artifactId> </exclusion> </exclusions></dependency> <dependency> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-starter-tomcat</artifactId> <scope>provided</scope></dependency>
（3）启动类继承SpringBootServletInitializer，重写它的configure方法。
@SpringBootApplication @RestController public class LearnApp extends SpringBootServletInitializer { public static void main(String[] args) { SpringApplication.run(LearnApp.class, args); } @Override protected SpringApplicationBuilder configure(SpringApplicationBuilder builder) { return builder.sources(LearnApp.class); } }
构建出的war包，其目录结构为：
springboot-learn-0.0.1-SNAPSHOT ├── META-INF │ └── MANIFEST.MF ├── WEB-INF │ ├── classes │ │ └── 应用程序 │ └── lib │ └── 第三方依赖jar │ └── lib-provided │ └── 与内嵌容器相关的第三方依赖jar └── org └── springframework └── boot └── loader └── springboot启动程序
MANIFEST.MF内容为：
Manifest-Version: 1.0 Start-Class: com.secbro2.LearnApp Main-Class: org.springframework.boot.loader.WarLauncher
此时，启动类变为了org.springframework.boot.loader.WarLauncher，查看WarLauncher实现，其实与JarLauncher并无太大差别。
public class WarLauncher extends ExecutableArchiveLauncher { private static final String WEB_INF = "WEB-INF/"; private static final String WEB_INF_CLASSES = WEB_INF + "classes/"; private static final String WEB_INF_LIB = WEB_INF + "lib/"; private static final String WEB_INF_LIB_PROVIDED = WEB_INF + "lib-provided/"; public WarLauncher() { } @Override public boolean isNestedArchive(Archive.Entry entry) { if (entry.isDirectory()) { return entry.getName().equals(WEB_INF_CLASSES); }else { return entry.getName().startsWith(WEB_INF_LIB) || entry.getName().startsWith(WEB_INF_LIB_PROVIDED); } } public static void main(String[] args) throws Exception { new WarLauncher().launch(args); } }
差别仅在于，JarLauncher在构建LauncherURLClassLoader时，会搜索BOOT-INF/classes目录及BOOT-INF/lib目录下jar，WarLauncher在构建LauncherURLClassLoader时，则会搜索WEB-INFO/classes目录及WEB-INFO/lib和WEB-INFO/lib-provided两个目录下的jar。
Spring Boot应用启动流程总结
总结一下Spring Boot应用的启动流程：
（1）Spring Boot应用打包之后，生成一个Fat jar，包含了应用依赖的jar包和Spring Boot loader相关的类。
（2）Fat jar的启动Main函数是JarLauncher，它负责创建一个LaunchedURLClassLoader来加载/lib下面的jar，并以一个新线程启动应用的Main函数。
那么，ClassLoader是如何读取到Resource，它又需要哪些能力？查找资源和读取资源的能力。对应的API：
public URL findResource(String name)public InputStream getResourceAsStream(String name)
SpringBoot构造LaunchedURLClassLoader时，传递了一个URL[]数组。数组里是lib目录下面的jar的URL。
对于一个URL，JDK或者ClassLoader如何知道怎么读取到里面的内容的？流程如下：
- LaunchedURLClassLoader.loadClass
- URL.getContent()
- URL.openConnection()
- Handler.openConnection(URL)
最终调用的是JarURLConnection的getInputStream()函数。
//org.springframework.boot.loader.jar.JarURLConnection @Overridepublic InputStream getInputStream() throws IOException { connect(); if (this.jarEntryName.isEmpty()) { throw new IOException("no entry name specified"); } return this.jarEntryData.getInputStream(); }
从一个URL，到最终读取到URL里的内容，整个过程是比较复杂的，总结下：
- Spring boot注册了一个Handler来处理”jar:”这种协议的URL。
- Spring boot扩展了JarFile和JarURLConnection，内部处理jar in jar的情况。
- 在处理多重jar in jar的URL时，Spring Boot会循环处理，并缓存已经加载到的JarFile。
- 对于多重jar in jar，实际上是解压到了临时目录来处理，可以参考JarFileArchive里的代码。
- 在获取URL的InputStream时，最终获取到的是JarFile里的JarEntryData。
细节很多，上面只列出比较重要的步骤。最后，URLClassLoader是如何getResource的呢？URLClassLoader在构造时，有URL[]数组参数，它内部会用这个数组来构造一个URLClassPath:
URLClassPath ucp = new URLClassPath(urls);
在URLClassPath内部会为这些URLS都构造一个Loader，然后在getResource时，会从这些Loader里一个个去尝试获取。如果获取成功的话，就像下面那样包装为一个Resource。
Resource getResource(final String name, boolean check) { final URL url; try { url = new URL(base, ParseUtil.encodePath(name, false)); } catch (MalformedURLException e) { throw new IllegalArgumentException("name"); } final URLConnection uc; try { if (check) { URLClassPath.check(url); } uc = url.openConnection(); InputStream in = uc.getInputStream(); if (uc instanceof JarURLConnection) { /* Need to remember the jar file so it can be closed * in a hurry. */ JarURLConnection juc = (JarURLConnection)uc; jarfile = JarLoader.checkJar(juc.getJarFile()); } } catch (Exception e) { return null; } return new Resource() { public String getName() { return name; } public URL getURL() { return url; } public URL getCodeSourceURL() { return base; } public InputStream getInputStream() throws IOException { return uc.getInputStream(); } public int getContentLength() throws IOException { return uc.getContentLength(); } };}
从代码里可以看到，实际上是调用了url.openConnection()。这样完整的链条就可以连接起来了。
在IDE/开放目录启动Spring boot应用
在上面只提到在一个fat jar里启动SpringBoot应用的过程，那么IDE里Spring boot是如何启动的呢？
在IDE里，直接运行的Main函数是应用的Main函数：
@SpringBootApplication public class SpringBootDemoApplication { public static void main(String[] args) { SpringApplication.run(SpringBootDemoApplication.class, args); } }
其实在IDE里启动SpringBoot应用是最简单的一种情况，因为依赖的Jar都让IDE放到classpath里了，所以Spring boot直接启动就完事了。
还有一种情况是在一个开放目录下启动SpringBoot启动。所谓的开放目录就是把fat jar解压，然后直接启动应用。
这时，Spring boot会判断当前是否在一个目录里，如果是的，则构造一个ExplodedArchive（前面在jar里时是JarFileArchive），后面的启动流程类似fat jar的。
总结
SpringBoot通过扩展JarFile、JarURLConnection及URLStreamHandler，实现了jar in jar中资源的加载。
SpringBoot通过扩展URLClassLoader–LauncherURLClassLoader，实现了jar in jar中class文件的加载。
JarLauncher通过加载BOOT-INF/classes目录及BOOT-INF/lib目录下jar文件，实现了fat jar的启动。
WarLauncher通过加载WEB-INF/classes目录及WEB-INF/lib和WEB-INF/lib-provided目录下的jar文件，实现了war文件的直接启动及web容器中的启动。
